Экспериментальная установка и методика измерения

Схема установки для определения разрешающей способности объектива представлена на рис. 6.

В передней фокальной плоскости объектива O₁ коллиматора К помещается мира М, состоящая из нескольких групп штрихов, причем число штрихов на единицу длины в различных группах неодинаково (рис.4).

Изображение миры, даваемое объективом коллиматора, можно считать находящимся в бесконечности. Очевидно, угол, под которым видно это изображение, равен углу, под которым мира видна из передней главной точки объектива O_1.

Рис.6

Исследуемый объектив О₂ дает изображение миры в своей задней фокальной плоскости М'.

Угловое расстояние между изображениями соседних штрихов миры равно

                                                               (9)

где  l_m - линейное расстояние между соседними штрихами миры;

f '_k - фокусное расстояние коллиматора.

Вычисленные величины ψ для различных групп штрихов миры указаны на установке.

Определение зависимости разрешающей способности фотообъектива от диаметра входного зрачка осуществляется следующим образом.

Изображение миры, даваемое исследуемым объективом, рассматривается в микроскоп (рис.6) и отмечается, какой квадрат миры находится на пределе разрешения при данном диаметре входного зрачка испытуемого объектива.

Диаметр входного зрачка испытуемого объектива определяется по шкале ирисовой диафрагмы, на которой указана обратная величина относительного отверстия объектива D/f ' . При точной установке диафрагмы, зная фокусное расстояние объектива, можно легко найти диаметр входного зрачка: для этого надо фокусное расстояние разделить на отсчет по шкале.

Порядок выполнения работы

1. Для ряда значений диаметра входного зрачка (D) испытуемого объектива определить наблюдением соответствующие предельные разрешаемые группы штрихов и по таблице, приложенной к установке, найти угловые величины  расстояний между штрихами миры.                         

2. Вычислить наименьшие разрешаемые расстояния   для соответствующих значений D:

                                                       мм ,

где  - фокусное расстояние испытуемого объектива;

       - наименьший разрешаемый угол, с .

3. Вычислить соответствующие величины разрешающей способности   испытуемого объектива

                                            мм ^–1

                                                                         ,

Таблица

ε	1 : 2	1 : 2,8	1 : 4	1 : 5,6	1 : 8	1 : 11
D, мм
, мм
, мм  -1
N , мм -1

4. Воспользовавшись формулой (7), вычислить величину N для соответствующих значений относительного отверстия D/f '.

5. Результаты наблюдений и вычислений записать в таблицу.

6. Убедиться, что хорошее совпадение величин N и  имеет место только при малых относительных отверстиях испытуемого объектива, когда аберрации

его малы, так как формула (7) выведена для случая идеального (в смысле малых величин аберраций) объектива.

Содержание отчета:

1) краткое описание, цель работы и схема установки;

2) таблица измерений и вычислений;

3)выводы о зависимости экспериментально определенной и теоретически вычисленной (из формулы 7) разрешающей способности объектива (N и ) от диаметра его входного зрачка (D), а также сравнительный анализ величину N и  при разных D.

Контрольные вопросы:

1. Что называется разрешающей способностью оптической системы?

2. Что ограничивает разрешающую способность оптической системы?

3. Что принято за критерий оценки наименьшего разрешаемого расстояния ?

4.Объяснить, как экспериментально определяется визуальная разрешающая способность объектива.

Литература

1. Теория оптических систем: учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов /Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.Н. Кузичев. – М: Машиностроение, 1992 – 448 с.

2. Волосов Д.С. Фотографическая оптика, - М.: Искусство, 1978 - 476.

Работа №5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОСКОПА

Цель работы: определение видимого увеличения и числовой апертуры микроскопа, определение при помощи микроскопа показателя преломления стекла.

Теоретическая часть

Микроскоп - оптический прибор, предназначенный для наблюдения мелких объектов, находящихся на близком расстоянии.

Как известно, глаз способен различать две точки, если они видны под углом . При данном размере У предмета (рис. I) его угловой размер обратно пропорционален расстоянию l . Однако это расстояние не может быть взято сколь угодно малым - оно определяется аккомодационной способностью глаза.

Рис. I.

Для взрослого человека расстояние наилучшего видения при рассматривании мелких предметов близко к 250 мм. Следовательно, наименьшие детали предмета, которые могут четко различаться невооруженным глазом, имеют размер y_min  = 250 tg 1' ≈ 0,1 мм.                            

Для рассматривания более мелких деталей предметов применяются оптические приборы - лупы и микроскопы, в задачу которых входит:

а) увеличение угла, под которым видны детали рассматриваемого предмета;

б) формирование изображения предмета достаточно далеко, чтобы глаз не перенапрягался (нормальные условия аккомодации).

Принципиальная оптическая схема микроскопа показана на рис.2.

Рис.2

Плоскость предметов У совпадает с передней фокальной плоскостью микроскопа F_m . Апертурная диафрагма АД микроскопа расположена в задней фокальной плоскости микрообъектива, диафрагма поля зрения (полевая диафрагма ПД) - в передней фокальной плоскости окуляра. Расстояние от заднего фокуса микрообъектива F'od до переднего фокуса окуляра Fок называется оптической длиной тубуса ∆. Механическая длина тубуса - расстояние от опорной плоскости объектива до посадочной плоскости окуляра_ стандартизирована и принимается равной 160, 190 мм и ∞. Видимым увеличением Г микроскопа называется отношение тангенса угла ω', под которым виден предмет в микроскоп, к тангенсу угла ω, под которым предмет ви­ден невооруженным глазом с расстояния 250 мм. Из рис. I и 2 следует:

     tg ω'  y'₂    

Г  =       =                                 (1)

              tg ω   y'₁                                                

Микроскоп имеет оптическую систему с двумя ступенями увеличения:

первая осуществляется микрообъективом, который дает действительное, увеличение и перевернутое изображение с увеличением b_об , вторая - окуляром с увеличением  . Поэтому общее увеличение микроскопа можно представить следующей формулой:

          250     ∆  250

Г =      =               .               = βоб Г           (2)

         ƒ'микр           ƒ'об         ƒ'ок

Второй важнейшей оптической характеристикой микроскопа является его числовая апертура А, под которой понимают произведение показателя преломления n среды пространства предметов на синус апертурного угла s_А микроскопа со стороны предмета (рис.2), то есть

                                                                                                                                             (3)

Числовая апертура определяет наименьшее разрешаемое расстояние объектива, то есть то наименьшее расстояние между двумя светящимися точками или линиями, при котором они изображаются объективом раздельно, не сливаясь.

При освещении предмета достаточно широкими пучками лучей (лучи осветительной системы образуют с оптической осью микроскопа всевозможные углы от нуля до s_А) разрешаемое расстояние, как показывает теория дифракции, равно

                                                (4)

                    λ           λ

        δ =                  =

                2n sinσ_A        2A

где λ - длина волны видимого света.                   

При данном значении δ небезразлична величина увеличения Г микроскопа. Для того, чтобы разрешаемое объективом расстояние различалось также глазом, необходимо, чтобы увеличение микроскопа Г , было равно около (500-1000)A. Это увеличение называется также полезным увеличением микроскопа.